矿业企业矿井提升机电控系统设计方案的研究

盛超

（舜华电气（昆山）有限公司，江苏 昆山 215300）

目前，矿井提升机操作人员对该机械的电控系统的要求逐渐提高。良好的矿井提升机电控系统能够保证提升机的工作性能和保障相关工作人员的生命安全，在发生故障前及时预警并自行制动，避免或减少造成采矿设备损坏以及操作人员的伤亡，因此提高矿井提升机电控系统的安全稳定性能是一件迫在眉睫的事情。本文通过对某矿区矿井提升机电控系统进行全新的设计，采用直流可逆调速系统控制提升机运行，取得了较好的实践效果。

1 矿井情况

本文研究对象选取某生产能力为380 万t/年岩矿的矿山，该矿山的采矿工作采用竖井开拓方式，其中有一条主井作为矿区的主要运输通道，主井深250m，平均爬升速度为6m/s。现采用主井提升设备，型号为JKMD 3.5X4，为多绳落地提升设备，功率为2240kW。工作时，电机转数设置为每分钟45r。提升机在主井距地表123m 处进行安装，其容量为两个矿用多绳箕斗。现就该提升机的硬件条件来选择相应的电控系统设计方案。

2 矿井提升机电控系统的方案分析

我国矿井提升机的系统设计，可选用我国目前在技术较为成熟的直流可逆调速方法、交流变频调速方法。需结合提升设备具体状况选择适合的方法处理，上述两种方法均能加强工作人员对矿井提升机系统的控制，提高矿井提升机的安全性和稳定性。

2.1 直流可逆调速方法的分析

直流可逆调速方法，能结合提升设备自身的功率，将直流调速磁场设置为恒定的状态，电枢换向方法分成6 脉动和12 脉动两种主回路。为满足不同功率提升机的不同效率，并降低谐波危害的使用要求，功率小于500kW 的提升机，建议选择6 脉动方法处理，针对功率＞500kW 提升设备来讲，可考虑使用12 脉动方法，以便保证设备工作的效率和安全性。结合本研究所选提升机的实际功率，在此处需要选择12 脉动方案来对提升机电控系统进行设计。

2.2 交流变频调速方案介绍

在功率为600 ～2000kW 的交流电动机运行电控系统进行方案设计时，一般会通过高压变频器，以绕线式异步电动设备，做好设备的控制、调速工作。高压异步电动设备变频调速方法，可采用高压变频调速柜（由变频器、变频单元、电动机转子等组成）和主控台（由信号输出和输入以及控制单元组成）两部分控制设备完成，是一种操作过程和设备都较为简洁的提升机电控系统。交流电动机转速N 的公式为：，异步电动设备中的F 表示频率，P 代表极对数，S 表示转差率。

通过转速公式能够看出，只要改变F 就能改变转速N。由此可得，高压异步电动机只需要通过主控台向高压变频调速柜发出开关量和模拟量的信号，使调速柜中变频器改变工作电源频率，即可达到调速的目的，变频器采用背靠背双三电平交直交变频技术。其中，高压变频调速柜使用的是转子串电阻的形式，机械特性是汇交于理想空载转速的软特性曲线。高压变频调速柜，在6kV 等级交流电动设备、10kV 等级交流电动设备中应用效果较好，可充分发挥出单元串联型高压变频技术的最大应用价值，能量回馈技术和矢量控制技术，其主要控制方法有速度内环、电流内环的双闭环控制，能够充分满足矿区提升机的电控操作要求。具体负载如图1 所示。

图1 提升机的负载结构

2.3 方案的选择

根据本矿区的实际情况和矿井升降机的型号功率，选用直流调速方案会使提升机的系统性能更加稳定。虽然直流调速方案的系统结构比交流变频调速方案要复杂很多，在使用过程中直流电机的维护量也大于交流电机的维护量，但是直流电机的系统技术要更加成熟，调速性能也更加稳定。通过对系统稳定性和经济性两方面的衡量，本研究所选提升机最终选择直流可逆调速方法处理。

图2 提升机的具体结构情况

3 直流可逆调速系统情况的相关研究

矿井提升设备电控系统，主要通过高、低压供电和整流调速、控制系统，以及上位机监控等构成，其对矿井提升机的控制需要通过各个系统之间的信号、数据交换来完成。其具体组成情况由图2 可知。

其中，矿井调速系统选择西门子6RA70 系列数字直流调速设备，配置大功率晶闸管整流柜，主要的目的：保持磁场为恒定状态，做好电枢转向串联12 脉动的控制工作。提升设备网络化操作系统，可采用西门子S7 300 型号设备，双PLC、双线控控制，以网络化虚拟操作来实现对提升机的控制。然后，还可在Windows CC系统基础下，通过人机接口的方式，对提升设备控制系统实行监控处理。这一系统高压供电部分，使用KYN28 12 型中置高压真空开关柜，以此实现在10kV 进线电压下配电、保护系统的效果。配置进线柜、电枢回路整流变压器馈电柜，以及测量保护柜分别为：1 台、1 台、2 台。继电保护，可运用微机综保设备，选择真空断路器、计量仪表。系统低压供电，为手动切换双回路进线，可对提升设备、辅助设备供电，为系统附属设备提供抵押负荷，并提供井筒信号电源，保持不中断，可能在主电源线路故障的情况下为提升机提供安全的制动，保证其运行的安全性和可靠性。采用环氧树脂浇筑整流变压设备主干，于铁心位置对传感器进行温度测定，通过对每一线圈的温度检测及铁心温度的检查，来对装置起到一个保护作用。对系统中的整流进行调速，选用西门子的S7 300 可编程控制器来对系统运行进行控制，通过双PLC 来提高提升机的安全性，及时进行监控并采取安全保护措施。

4 设计后系统的特点与功能

经过设计和改进后的系统，可结合主井提升设备主要特点，借助电枢转向串联12 脉动的作用，达到保持磁场恒定状态的目的。实际运行过程，整流装置如果发生紧急/意外状况，应立即将12 脉动手动调整为6 脉动，将提升设备采用全载慢速模式，无需改变单次运输的荷载量。这种6 脉动和12 脉动系统的互相切换模式，电网的冲击较小，功率较高。该系统在设计以及实践过程中经数字速度、电流、传播等方式，确保提升设备的稳定运行情况，并不影响其运行效率。另外，PLC 控制系统能够满足提升机在手动、半自动以及自学习情况下的各种控制要求，使其具备智能化的特性，便于工作人员的操作。

5 结语

直流可逆调速系统目前是一个综合技术较为成熟、可靠的操作系统，电控系统操作具有高强度、安全系数高的特点，所以被广泛应用于不同类型的升降设备中。因此，需做好矿业企业矿井提升设备电控系统设计工作，以便充分发挥出矿井提升设备电控系统的最大作用，保证设备的运行状况。